(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
前記光ファイバの終端面と前記レーザ光を前記被加工物の加工点に集束させるための集束レンズとの間のレーザ光路上に配置されるミラーを有し、前記ミラーを透過した漏れ光または前記ミラーで反射した光をモニタ光として取り出すモニタ光取得部と、
前記モニタ光取得部で取り出された前記モニタ光のパワーを測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置される受光部を有し、前記受光部で受光された前記モニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、前記パワー測定信号を基に前記モニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部と、
前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上に配置される偏光解消素子と
を有するレーザ加工モニタリング装置。
【請求項２】
レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をビームスプリッタを用いて複数の分岐レーザ光に分割し、各々の前記分岐レーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通して複数のレーザ加工ヘッドまで伝送し、個々の前記レーザ加工ヘッドより前記分岐レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
前記光ファイバの終端面と前記分岐レーザ光を前記被加工物の加工点に集束させるための集束レンズとの間のレーザ光路上に配置されるミラーを有し、前記ミラーを透過した漏れ光または前記ミラーで反射した光をモニタ光として取り出すモニタ光取得部と、
前記モニタ光取得部で取り出された前記モニタ光のパワーを測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置される受光部を有し、前記受光部で受光された前記モニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、前記パワー測定信号を基に前記モニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部と、
前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上に配置される偏光解消素子と
を有するレーザ加工モニタリング装置。
【請求項３】
前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上にコリメートレンズを配置し、
前記光ファイバの終端面と前記コリメートレンズとの間のレーザ光路上に前記偏光解消素子を配置する、
請求項１または請求項２に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項４】
前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上にコリメートレンズを配置し、
前記コリメートレンズと前記ミラーとの間のレーザ光路上に前記偏光解消素子を配置する、
請求項１または請求項２に記載のレーザ加工モニタリング装置。
【請求項５】
レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工モニタリング装置を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ伝送方式のレーザ加工装置、特に多分岐・ファイバ伝送方式のレーザ加工装置およびこれに用いるレーザ加工モニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ溶接やレーザマーキング等のレーザ加工分野では、多点同時加工あるいはマルチポジション加工を行うために、１台のレーザ発振器で生成した原レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割して、各々の分岐レーザ光を光ファイバに通して遠隔の加工場所に配置されたレーザ加工ヘッドまたはレーザ出射ヘッドまで伝送する多分岐・ファイバ伝送方式が採用されている。
【０００３】
上記のような多分岐・ファイバ伝送方式においては、たとえば特許文献１に記載されるように、原レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するためにビームスプリッタが用いられる。この種のビームスプリッタは、たとえば部分反射コーティングを施した光学ガラス板からなり、コーティングの反射／透過特性に応じて任意の分岐比（反射百分率／透過百分率）を選べるようになっている。
【０００４】
たとえば、同時２分岐の場合は、分岐比５０／５０のビームスプリッタを使用し、レーザ発振部からの原レーザ光を該ビームスプリッタに入射させ、そこで約５０％の反射率で反射した光つまり第１分岐レーザ光を第１光ファイバに通して第１のレーザ加工ヘッドまで伝送し、該ビームスプリッタを約５０％の透過率で透過した光つまり第２分岐レーザ光を第２光ファイバに通して第２のレーザ加工ヘッドまで伝送するようにしている。ここで、第１および第２分岐レーザ光のレーザ出力は、いずれも原レーザ光のレーザ出力の約５０％で、２等分したものである。
【０００５】
同時３分岐の場合は、分岐比３３／６７の第１ビームスプリッタと分岐比５０／５０の第２ビームスプリッタとを使用し、レーザ発振部からの原レーザ光を第１ビームスプリッタに入射させ、そこで約３３％の反射率で反射した第１分岐レーザ光を第１光ファイバに通して第１のレーザ加工ヘッドまで伝送する。一方、第１ビームスプリッタを約６７％の透過率で透過したレーザ光を第２ビームスプリッタに入射させ、そこで約５０％の反射率で反射した第２分岐レーザ光を第２光ファイバに通して第２のレーザ加工ヘッドまで伝送し、第２ビームスプリッタを約５０％の透過率で透過した第３分岐レーザ光を第３の光ファイバに通して第３のレーザ加工ヘッドまで伝送するようにしている。ここで、第１、第２および第３分岐レーザ光のレーザ出力は、いずれも原レーザ光のレーザ出力の約３３％で、３等分したものである。
【０００６】
また、ファイバ伝送方式においては、被加工物の加工点に照射される直前のレーザ光の実際のレーザ出力状態をインラインでモニタするために、たとえば特許文献２に記載されるように、光ファイバの終端面から出たレーザ光の光強度を測定するための受光部がレーザ加工ヘッド内に設けられる。この場合、典型的には、レーザ加工ヘッドにおいて、ヘッド下端部のレーザ出射口に集光レンズが配置されるとともに、その集光レンズの直上に光ファイバ終端面より出たレーザ光の光路を水平光路から集光レンズと同軸の垂直光路に直角に折り曲げるためのベントミラーが４５度の傾斜姿勢で配置され、このベントミラーの後方へ透過する漏れ光をモニタ光として受光するように受光部たとえばフォトダイオードが配置される。
【特許文献１】特開２００７−１９０５６０
【特許文献２】特開２００７−４４７３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような多分岐・ファイバ伝送方式において、多点同時加工あるいはマルチポジション加工を行うと、異なる加工点に等分のレーザ出力で分岐レーザ光を照射し、実際に各加工点で略均一なレーザ加工結果が得られているにもかかわらず、レーザ加工ヘッドの間で分岐レーザ光のレーザ出力の測定値が不定にばらつく（変動する）おそれがある。しかも、分岐の数を多くするほど、レーザ出力測定値の変動幅が大きくなる傾向がある。多点同時加工あるいはマルチポジション加工においては、レーザ出力測定値の精度がレーザ加工の生産管理、品質管理および生産効率を左右するので、上記のようなレーザ出力測定値の不定な変動はモニタリング装置の信頼性を大きく損ねる問題である。
【０００８】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、ファイバ伝送方式のレーザ加工、特に多分岐・ファイバ伝送方式のレーザ加工において、レーザ出力測定値の不定な変動を無くしてモニタリング精度の再現性・信頼性を向上させるレーザ加工モニタリング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、ファイバ伝送方式においてレーザ加工の品質管理および生産性を改善できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記光ファイバの終端面と前記レーザ光を前記被加工物の加工点に集束させるための集束レンズとの間のレーザ光路上に配置されるミラーを有し、前記ミラーを透過した漏れ光または前記ミラーで反射した光をモニタ光として取り出すモニタ光取得部と、前記モニタ光取得部で取り出された前記モニタ光のパワーを測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置される受光部を有し、前記受光部で受光された前記モニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、前記パワー測定信号を基に前記モニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上に配置される偏光解消素子とを有する。
【００１１】
上記の装置構成においては、光ファイバの終端面より出てからモニタ光取得部のミラーに入射するまでの間に偏光解消素子によりレーザ光の偏光状態が解消されて非偏光になる。これにより、レーザ加工用のレーザ光が光ファイバの中を伝播する間に光ファイバの曲げの応力に応じた複屈折率効果により偏光成分のパワー比が不定に変動しても、さらにはモニタ光取得部のミラーに偏光特性があっても、モニタ光取得部で取り出されるモニタ光の光強度（レーザ出力）は被加工物に照射されるレーザ光の光強度（レーザ出力）と略一定の比例関係を持つことができるとともに、受光部で受光されたモニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、そのパワー測定信号を基にモニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部において精度の高いレーザパワー測定値を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の第２の観点におけるレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をビームスプリッタを用いて複数の分岐レーザ光に分割し、各々の前記分岐レーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記分岐レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記光ファイバの終端面と前記分岐レーザ光を前記被加工物の加工点に集束させるための集束レンズとの間のレーザ光路上に配置されるミラーを有し、前記ミラーを透過した漏れ光または前記ミラーで反射した光をモニタ光として取り出すモニタ光取得部と、前記モニタ光取得部で取り出された前記モニタ光のパワーを測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置される受光部を有し、前記受光部で受光された前記モニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、前記パワー測定信号を基に前記モニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面と前記モニタ光取得部の前記ミラーとの間のレーザ光路上に配置される偏光解消素子とを有する。
【００１３】
上記の装置構成においては、ファイバの終端面より出てからモニタ光取得部に入射するまでの間に偏光解消素子により分岐レーザ光の偏光状態が解消され非偏光になる。これにより、ビームスプリッタの偏光特性により分岐レーザ光の偏光成分のパワー比が不均一になっても、あるいは分岐レーザ光が光ファイバの中を伝播する間に光ファイバの曲げの応力に応じた複屈折率効果により偏光成分のパワー比が一層不定に変動し拡大しても、さらにはモニタ光取得部のミラーに偏光特性があっても、モニタ光取得部で取り出されるモニタ光の光強度またはパワーは被加工物に照射される分岐レーザ光の光強度またはパワーと略一定の比例関係を持つことができるとともに、レーザ加工ヘッド内に配置される受光部で受光されたモニタ光のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表わすパワー測定信号を生成し、そのパワー測定信号を基にモニタ光のパワー測定値を求めるレーザ光測定部において精度の高いレーザパワー測定値を得ることができる。
【００１５】
本発明の好適な一態様においては、光ファイバの終端面とモニタ光取得部のミラーとの間のレーザ光路上にコリメートレンズが配置され、光ファイバの終端面とコリメートレンズとの間のレーザ光路上に、あるいはコリメートレンズと該ミラーとの間のレーザ光路上に、偏光解消素子が配置される。
【００１６】
本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、上記本発明のレーザ加工モニタリング装置を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のレーザ加工モニタリング装置によれば、上記のような構成および作用により、ファイバ伝送方式のレーザ加工、特に多分岐・ファイバ伝送方式のレーザ加工において、レーザ出力測定値の不定な変動を無くしてモニタリング精度の再現性・信頼性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明のレーザ加工装置によれば、本発明のレーザ加工モニタリング装置を有することで、再現性・信頼性の高いモニタリング情報を基にファイバ伝送方式におけるレーザ加工の品質管理および生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２０】
図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタリング装置の適用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、同時多分岐たとえば同時４分岐のファイバ伝送方式を用いて、４箇所の加工テーブル１０(1)，１０(2)，１０(3)，１０(4)上で同時に４個の被加工物Ｗ(1)，Ｗ(2)，Ｗ(3)，Ｗ(4)に同一または同種のレーザ加工（たとえばレーザ溶接）を施すマルチポジョン加工システムの形態を採っている。
【００２１】
このレーザ加工装置は、基本構成として、レーザ加工用のレーザ光（たとえばパルスレーザ光）ＬＢを発振出力するレーザ発振部１２と、各加工テーブル１０(1)，１０(2)，１０(3)，１０(4)の上方に配置されるレーザ加工ヘッド１４(1)，１４(2)，１４(3)，１４(4)と、レーザ発振部１２より発振出力された原レーザ光ＬＢを４つの分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)，ＬＢ(4)に分割するレーザ分岐部１６と、このレーザ分岐部１６からレーザ加工ヘッド１４(1)，１４(2)，１４(3)，１４(4)へ分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)，ＬＢ(4)をそれぞれ伝送するための光ファイバ１８(1)，１８(2)，１８(3)，１８(4)と、モニタリング用の所要の信号処理や表示出力等を行うモニタ装置本体２０と、システム全体のシーケンスを制御するコントローラ２２とを有する。
【００２２】
レーザ発振部１２は、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ等のような固体レーザのレーザ発振器あるいは炭酸ガスレーザ等のガスレーザのレーザ発振器を有している。レーザ発振部１２より射出される原レーザ光ＬＢは、一般に非偏光またはランダム偏光のビームであり、空中をまっすぐ伝播して隣のレーザ分岐部１６に入る。
【００２３】
レーザ分岐部１６は、レーザ発振部１２の光軸の延長上に所定の間隔を置いて３つの部分反射透過ミラーまたはビームスプリッタ２４(1)，２４(2)，２４(3)と１つの全反射ミラー２４(4)とをこの順序で一列に配置し、各ミラーをレーザ発振部１２の光軸に対して斜めに（たとえば４５度）傾けている。ここで、同時４分岐のパワー分割比をたとえば等分（１：１：１：１）に選ぶ場合は、初段ビームスプリッタ２４(1)の分岐比を約２５／７５に設定し、第２段ビームスプリッタ２４(2)の分岐比を約３３／６７に設定し、第３段ビームスプリッタ２４(3)の分岐比を約５０／５０に設定する。
【００２４】
レーザ分岐部１６において、レーザ発振部１２からまっすぐ伝搬してきた原レーザ光ＬＢは、最初に初段ビームスプリッタ２４(1)に入射し、そこで一部（原レーザ光ＬＢの約２５％）が原レーザ光ＬＢの進行方向に対して直角方向（図の下方）に反射し、残り（約７５％）がまっすぐ透過する。ビームスプリッタ２４(1)で得られる反射光つまり第１分岐レーザ光ＬＢ(1)は、第１入射ユニット２６(1)を通って第１光ファイバ１８(1)の一端面に集光入射する。
【００２５】
初段ビームスプリッタ２４(1)を透過したレーザ光ＦＢ'は第２段ビームスプリッタ２４(2)に入射し、そこで一部（透過レーザ光ＦＢ'の約３３％つまり原レーザ光ＬＢの約２５％）が直角に（図の下方へ）反射し、残り（レーザ光ＦＢ'の約６７％つまり原レーザ光ＬＢの約５０％）がまっすぐ透過する。ビームスプリッタ２４(2)で得られる反射光つまり第２分岐レーザ光ＬＢ(2)は、第２入射ユニット２６(2)を通って第２光ファイバ１８(2)の一端面に集光入射する。
【００２６】
第２段ビームスプリッタ２４(2)を透過したレーザ光ＬＢ"は第３段ビームスプリッタ２４(3)に入射し、そこで一部（透過レーザ光ＬＢ"の約５０％つまり原レーザ光ＬＢの約２５％）が直角に（図の下方へ）反射し、残り（透過レーザ光ＬＢ"の約５０％つまり原レーザ光ＬＢの約２５％）がまっすぐ透過する。ビームスプリッタ２４(3)で得られる反射光つまり第３分岐レーザ光ＬＢ(3)は、第３入射ユニット２６(3)を通って第３光ファイバ１８(3)の一端面に集光入射する。
【００２７】
第３段ビームスプリッタ２４(3)を透過したレーザ光つまり第４分岐レーザ光ＬＢ(4)は、全反射ミラー２４(4)で直角に（図の下方へ）反射し、第４入射ユニット２６(4)を通って第４光ファイバ２４(4)の一端面に集光入射する。
【００２８】
各入射ユニット２６(1)〜２６(4)内には、各分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)を各光ファイバ１８(1)〜１８(4)の一端面に集光または集束させる集束レンズ２８(1)〜２８(4)が設けられている。各光ファイバ１８(1)〜１８(4)には、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形ファイバが用いられる。  
【００２９】
各光ファイバ１８(1)〜１８(4)の他端または終端は、各レーザ加工ヘッド１４(1)〜１４(4)にそれぞれ接続されている。図示の例では、加工テーブル１０(1)〜１０(4)上にそれぞれ載置された被加工物Ｗ(1)〜Ｗ(4)に対して第１〜第４出射ユニット１４(1)〜１４(4)より第１〜第４分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)が同時に照射される。各被加工物Ｗ(1)〜Ｗ(4)の加工点ＷＰにおいては、各分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)のレーザエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射後に凝固してナゲットが形成される。この例のように、同時４分岐のパワー分割比を等分（１：１：１：１）に選んだ場合は、理想的には各被加工物Ｗ(1)〜Ｗ(4)で同時に均一な溶接結果が得られる。
【００３０】
各レーザ加工ヘッド１４(i)（i=1,2,3,4）は、同一構造であり、たとえばアルミニウムからなる中空のハウジングまたはヘッド本体３０を有し、このヘッド本体３０内の所定位置に後述する偏光解消素子、光学レンズ、ミラー、受光素子等を配置している。このヘッド本体３０において、ワークＷの加工点ＷＰと向き合う本体下面にはレーザ出射口３２が設けられ、このレーザ出射口３２とは反対側の本体上面には光ファイバ１８(i)の終端部よりレーザ光を出射させるための光ファイバ出射部３４およびモニタリング用のレーザ光検出器３６、反射光検出器３８およびＣＣＤカメラ４０が取り付けられている。
【００３１】
図２〜図４に、この実施形態におけるレーザ加工ヘッド１４(i)の具体的な構成を示す。図２は平面図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は図２のIV−IV線断面図である。
【００３２】
図３および図４に示すように、このレーザ加工ヘッド１４(i)においては、ヘッド本体３０の正面（図の下面）中心部から前方（図の下方）に延びる筒部４２が形成され、この筒部４２の先端部に位置するレーザ出射口３２に保護ガラス４４が取り付けられ、この保護ガラス４４の内奥近傍に集束レンズ４６が配置されている。
【００３３】
集束レンズ４６の後方（図の直上）にはヘッド本体３０内部のほぼ中心位置にてベントミラー４８がその反射面４８ａをたとえば４５度の角度で斜め前方（図では斜め下方）に向けて配置され、その後方（直上）にはベントミラー５０およびビデオレンズ５２が配置され、さらにその後方（直上）にＣＣＤカメラ４０が配置されている。
【００３４】
図３に示すように、ヘッド本体３０の背面（図の上面）には、集束レンズ４８と同一光軸上にＣＣＤカメラ４０が取り付けられ、ＣＣＤカメラ４０から一方向（図２、図３では右側）に集束レンズ４６の光軸と平行にオフセットした位置で、筒状の光ファイバ出射部５４が後方（図の垂直上方）に延びている。この光ファイバ出射部５４の先端（図の上端）には、光ファイバ１８(i)の終端部を着脱可能に受けるコネクタまたはレセプタクル５６が設けられている。
【００３５】
光ファイバ出射部５４の内部には、光ファイバ１８(i)の終端面１８ａから放射状に出た分岐レーザ光ＬＢ(1)を平行光にするためのコリメートレンズ５８が配置されるとともに、このコリメートレンズ５８の手前（図の上方）に分岐レーザ光ＬＢ(1)の偏光を解消するための偏光解消素子６０が配置され、コリメートレンズ５８の前方（図の真下）にはベントミラー６２がその反射面６２ａをたとえば４５度の角度で斜め後方（図では斜め上方）に向けて配置されている。ここで、ベントミラー６２の反射面６２ａはベントミラー４８の反射面４８ａと光学的に対向しており、光ファイバ１８(i)の終端面１８ａからの分岐レーザ光ＬＢ(1)はベントミラー６２で光路を図の垂直方向から図の水平方向に直角に曲げてベントミラー４８に入射し、ベントミラー４８で光路を図の水平方向から図の垂直下方に直角に曲げて集束レンズ４６に入射するようになっている。集束レンズ４６は、ワークＷ(i)の加工点ＷＰにレーザ光ＬＢ(i)を集光させる。
【００３６】
ヘッド本体３０の上面には、ＣＣＤカメラ４０から光ファイバ出射部５４とは反対側（図２、図３では左側）に集束レンズ４６の光軸と平行にオフセットした位置に、レーザ光検出器６４がその受光面６４ａを前方（図の垂直下方）に向けて取り付けられている。このレーザ光検出器６４の真下には、ベントミラー６６がその反射面６６ａをたとえば４５度の角度で斜め後方（図では斜め上方）に向けて配置されている。ここで、ベントミラー６６の反射面６６ａとベントミラー６２の反射面６２ａとはベントミラー４８を介して図の水平方向で光学的に対向しており、光ファイバ１８(i)の終端面１８ａからのレーザ光ＬＢ(i)がベントミラー４８で前方（図の垂直下方）へ反射する際にベントミラー４８の後（図の左方）へ漏れた光ＭLBがベントミラー６６に入射し、ベントミラー６６で光路を図の水平方向から図の垂直上方に直角に曲げてレーザ光検出器６４の受光面６４ａに入射するようになっている。ベントミラー４８とベントミラー６６との間には、たとえばセラミックからなる光拡散板６８が配置されている。光拡散板６８とレーザ光検出器６４との間の光通路７０は円筒（横断面が円形のトンネル）に形成されている。
【００３７】
レーザ光検出器６４は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、ベントミラー４８から図の水平方向の後方に漏れる透過光または漏れ光ＭLBを受光してその光強度を表す電気信号ＳLを発生する。ここで、漏れ光ＭLBの光強度は、光ファイバ１８(i)の終端面１８ａより出射された直後のレーザ光ＬＢ(i)の光強度またはレーザ出力ＰLと一定の比例関係にある。レーザ光検出器６４の出力信号（レーザ光強度検出信号）ＳLは信号線７２を介してモニタ装置本体２０へ送られる。
【００３８】
このように、このレーザ加工ヘッド１４(i)においては、ベントミラー４８がモニタ光取得部を構成し、ベントミラー４８を透過した漏れ光ＭLBがモニタ光としてレーザ光検出器６４の受光部に入射するようになっている。
【００３９】
ヘッド本体３０の背面（図の上面）には、ＣＣＤカメラ４０から見て光ファイバ出射部５４およびレーザ光検出器６４と直交する側（図３の紙面億側）に、集束レンズ４６の光軸と平行にオフセットした位置に、反射光検出器７４がその受光面７４ａを前方（図の垂直下方）に向けて取り付けられている。図４に示すように、反射光検出器７４の前方（図の真下）には、ベントミラー７６がその反射面７６ａをたとえば４５度の角度で斜め後方（図の斜め上方）に向けて配置されている。ここで、ベントミラー７６の反射面７６ａはベントミラー５０の反射面５０ａと図の水平方向で光学的に対向しており、ベントミラー５０はその反射面５０ａをたとえば４５度の角度で斜め前方（図の斜め下方）に向けて配置されている。被加工物Ｗ(i)の加工ポイントＷＰから光学レンズ４６およびベントミラー４８を透過してきた所定波長（たとえば分岐レーザ光ＬＢ(i)と同じ波長）の反射光ＲLBが、ベントミラー５０で光路を図の垂直上方から図の水平方向（図４では左方）に直角に曲げてベントミラー７６に入射し、ベントミラー７６で光路を図の水平方向から図の垂直上方に直角に曲げて反射光検出器７４の受光面７４ａに入射するようになっている。ベントミラー５０とベントミラー７６との間には、たとえばセラミックからなる光拡散板８０が配置されている。光拡散板８０と反射光検出器７４との間の光通路８２は円筒（横断面が円形のトンネル）に形成されている。
【００４０】
反射光検出器７４は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、ベントミラー５０，７６からの反射光ＲLBを受光してその光強度を表す電気信号ＳRを発生する。ここで、反射光ＲLBの光強度は、被加工物Ｗ(i)の加工点ＷＰにおける表面反射率、溶け込み具合等にも依存するが、少なくとも加工点ＷＰにおけるレーザ出力とは一定の比例関係にある。反射光検出器７４の出力信号（反射光強度検出信号）ＳRは信号線８４を介してモニタ装置本体２０へ送られる。
【００４１】
ＣＣＤカメラ４０は、ビデオレンズ５２、ベントミラー５０，４８、光学レンズ４６および保護ガラス４４を通して、被加工物Ｗ(i)の加工点ＷＰおよびその周囲を撮像する。すなわち、加工点ＷＰ付近からの可視光ＬWPが保護ガラス４４、光学レンズ４６、ベントミラー４８，５０およびビデオレンズ５２を通り抜けてＣＣＤカメラ４０の受光面に入射し、ＣＣＤカメラ４０のＣＣＤ素子により光電変換される。ビデオレンズ５２は、加工点ＷＰからの可視光ＬWPをＣＣＤカメラ４０の受光面に集光させるための集光レンズである。焦点合わせのために、外側のローレット８６を回転させることによりビデオレンズ５２の位置を光軸方向で調整できるようになっている。ＣＣＤカメラ４０は、被加工物Ｗ(i)の加工点ＷＰ付近の画像を表すたとえばＮＴＳＣ方式の画像信号ＳVを生成する。この画像信号ＳVは信号線８８を介してモニタ装置本体２０へ送られる。
【００４２】
図１において、モニタ装置本体２０は、正面のパネルにキーまたはボタン類を含む入力部２０ａや液晶パネル等のディスプレイ２０ｂを備えるとともに、本実施形態のモニタリングに必要な各種演算処理を行う電子回路を内蔵している。このモニタ装置本体２０の内蔵する電子回路は、たとえばマイクロコンピュータや周辺回路を含んでいる。
【００４３】
この実施形態のレーザ加工モニタリング装置における主たる特徴は、レーザ加工ヘッド１４(i)内に、より詳細には光ファイバ出射部５４内の光ファイバ１８(i)の終端面１８ａとコリメートレンズ５８との間のレーザ光路上に、偏光解消素子６０を配置している構成にある。以下、この偏光解消素子６０の技術的意義および作用について説明する。
【００４４】
偏光解消素子６０は、たとえば光学軸が表面に垂直になっている２枚の平行平面板（電気光学結晶）からなり、カー効果（屈折率の変化が電界の二次に比例する効果）を利用して、各々０〜２π、０〜４πの位相差を生じさせ、この組み合わせで任意の単波長光の偏光（ここでは分岐レーザ光ＬＢ(i)の偏光）を解消する機能を有しており、電気光学結晶の代わりに水晶や合成石英からなるタイプも使用可能である。かかる偏光解消素子６０の偏光解消作用によって、光ファイバ１８(i)の終端面１８ａより出た分岐レーザ光ＬＢ(i)は不定の偏光状態を解かれ、非偏光状態で後段のベントミラー４８に入射する。
【００４５】
ここで、レーザ加工ヘッド１４(i)内に偏光解消素子６０を設ける技術的意義は次の点にある。
【００４６】
本発明者は、ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド毎にレーザ出力の測定値が不定にばらつく問題について、幾多の試験を重ねて鋭意検討した結果、工場内で伝送用の光ファイバを任意に引き回す際に光ファイバの曲げ具合がレーザ出力測定値の変動に大きく関係していることを突き止めた。すなわち、ファイバ伝送方式において伝送用の光ファイバが任意に曲げられると、光ファイバ内の歪または応力により引き起こされる複屈折率効果によって、光ファイバ内を伝播するレーザ光の相直交する偏光成分つまりＰ偏光成分およびＳ偏光成分の光強度比（レーザ出力比）が不定に変動することがわかった。
【００４７】
また、同時多分岐では、レーザ分岐部で用いるビームスプリッタの偏光特性がレーザ出力測定値の変動を大きくする要因になることも分かった。すなわち、ビームスプリッタの分岐比は、入射光線の波長に対するコーティングの反射率／透過率によって規定され、光線全体のレーザ出力としてみれば誤差が無くても、偏光成分のレベルではばらつきがある。たとえば、分岐比が２５／７５の場合、ビーム全体の反射率は２５％であるが、振動面が互いに直交するＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とでは必ずしも同じではなく、Ｐ偏光成分の反射率が２８％でＳ偏光成分の反射率が２３％の場合もあれば、Ｐ偏光成分の反射率が２２％でＳ偏光更成分の反射率が２７％の場合もある。
【００４８】
このため、この実施形態のレーザ加工装置（図１）において、レーザ分岐部１６のビームスプリッタ２４(1)〜２４(2)により得られる４つの分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)のレーザ出力が等分（いずれも原レーザ光ＬＢの２５％）であっても、各分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)の中の内訳（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分のパワー比）は必ずしも同じではなく、むしろばらついていることが多く、分岐の数が多いほどばらつきの幅（変動幅）も大きくなる。そして、それらの分岐レーザ光ＬＢ(1)〜ＬＢ(4)が光ファイバ１８(1)〜１８(2)の中をそれぞれ伝播する間に、上記のような複屈折率効果によって、Ｐ偏光成分／Ｓ偏光成分のパワー比の変動が一層不定に拡大する結果となる。
【００４９】
本発明者は、図５に示すように、偏光ビームスプリッタ９２およびパワーメータ９４，９６を用いて、同時４分岐の各光ファイバ１８(i)の終端面より出たばかりの分岐レーザ光ＬＢ(i) の偏光状態を測定した。図６に、その測定結果を示す。
【００５０】
なお、図５の実験装置において、コリメートレンズ９０は、レーザ加工ヘッド１４(i)内の光ファイバ出射部５４内に設けられるコリメートレンズ５８に相当する。図６の表において、「曲げＡ」、「曲げＢ」は、たとえば図１で模式的に実線と鎖線で区別して示すように、各光ファイバ１８(1)〜１８(2)の任意の２通りの曲げ状態である。また、「変動」は「曲げＡ」の場合と「曲げＢ」の場合との間での各偏光成分パワーの変動率である。
【００５１】
図６において、例えば、第１分岐ファイバ伝送系（２４(1)，１８(1)）について、分岐レーザ光ＬＢ(1)のピークパワーを“１”ｋＷ、パルス幅を“４”ｍｓに設定した場合、図５のパワーメータ９４，９６で得られたＳ偏光成分、Ｐ偏光成分のパワー測定値は、「曲げＡ」のときはそれぞれ“０．４２３４”ｋＷ，“０．４１９１”ｋＷで、「曲げＢ」のときはそれぞれ“０．４２１６”ｋＷ，“０．４２０３”ｋＷである。この場合、Ｓ偏光成分の「変動」は“−０．４３％”，Ｐ偏光成分の「変動」は“０．２９％”である。
【００５２】
図６に示す測定結果によると、「曲げＡ」と「曲げＢ」とではＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーの大小関係が変わることもあれば変わらないこともあり、不定である。もっとも、Ｓ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのレーザパワーは、「曲げＡ」と「曲げＢ」とで殆ど変わらないこともわかる。また、分岐ファイバ伝送系が違うと、「変動」の値が大きく変わることもわかる。すなわち、第１分岐ファイバ伝送系（２４(1)，１８(1)）および第３分岐ファイバ伝送系（２４(3)，１８(3)）の「変動」の幅が最大でも−１％〜１％以内に収まっているのに対して、第２分岐ファイバ伝送系（２４(2)，１８(2)）の「変動」の幅は−６．４３％〜６．７７％以上であり、さらに第４分岐ファイバ伝送系（２４(4)，１８(4)）の「変動」の幅は−１０．６７％〜１２．９００％以上にもなる。概して、分岐の数が多いほど「変動」のばらつきは大きくなる。
【００５３】
本発明者は、レーザ加工ヘッド１４(i)内に設けられる偏光解消素子６０の効果を検証するために、図７に示すように、上記実験装置に偏光解消素子６０に相当する偏光解消素子９８を各光ファイバ１８(i)の終端面とコリメータレンズ９０との間に配置して、偏光解消素子９８に通した後の各分岐レーザ光ＬＢ(i) の偏光状態を測定した。図８に、その測定結果を示す。
【００５４】
図８に示す測定結果から、偏光解消素子９８（６０）を挿入することにより、全ての分岐ファイバ系において一様にＳ偏光成分とＰ偏光成分のパワー測定値の差は殆どなく、「変動」の絶対値も常に零付近に収まり、ばらつきは非常に小さくなることが確認できた。
【００５５】
ところで、レーザ加工ヘッド１４(i)において、光ファイバ１８(i)の終端面より出た分岐レーザ光ＬＢ(i) のＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーが違ったり、曲げに応じてパワーの差の関係や大きさが変動しても、そのことによって分岐レーザ光ＬＢ(i)自体のパワーが変わることにはならない。したがって、レーザ伝送系やレーザ加工ヘッド１４(i)内のレーザ光路上に不純物や汚れ等がない限り、被加工物Ｗ(i)には所期のレーザパワーで分岐レーザ光ＬＢ(i)が照射され、加工点ＷＰに所望のレーザ溶接結果が得られる。
【００５６】
しかしながら、レーザパワーモニタリング系においては、分岐レーザ光ＬＢ(i) が上記のような不定な偏光状態でモニタ光取得部のベントミラー４８に入射することは、重大な測定誤差につながる。すなわち、ベントミラー４８にも偏光特性があり、これは絶対値的には非常に小さいのであるが、漏れ光（モニタ光）ＭLBにとっては無視できないものとなる。たとえば、ベントミラー４８の透過率が、分岐レーザ光ＬＢ(i)のビーム全体に対しては０．１０％である場合に、偏光特性によりＳ偏光成分およびＰ偏光成分に対してそれぞれ０．１２％、０．０８％と異なることがある。この差は、絶対値的には小さいが、相対的には３：２の関係つまり１．５倍の差である。このため、分岐レーザ光ＬＢ(i)とモニタ光ＭLBとの間のビームパワー比例関係に誤差が生まれる。この誤差は、分岐レーザ光ＬＢ(i)のＳ偏光成分とＰ偏光成分のパワー差に、ベントミラー４８における透過率相対比（上記の例は１．５）を乗じた値として表される。
【００５７】
この実施形態において、レーザ加工ヘッド１４(i)内に設けられるレーザ光検出器６４は、ベントミラー４８からの漏れ光（モニタ光）ＭLBを受光して、そのＳ偏光成分のパワーとＰ偏光成分のパワーとを足し合わせたトータルのビームパワーを表すパワー測定値信号ＳLを生成し、モニタ装置本体２０内のレーザパワー測定回路がパワー測定値信号ＳLを基に分岐レーザ光ＬＢ(i)のパワー測定値を求める。つまり、ベントミラー４８を透過したモニタ光ＭLBのトータルなパワーを一定の比例定数（たとえば１０００）で校正したものが分岐レーザ光ＬＢ(i)のパワー測定値としてディスプレイ２０ｂに表示出力される。
【００５８】
しかしながら、このレーザパワー測定値は、分岐レーザ光ＬＢ(i)の実際のパワーに対して上記のような誤差を含んでいる。レーザ加工ヘッド１４(i)内に偏光解消素子６０を設けない場合には、分岐レーザ光ＬＢ(i)のＳ偏光成分とＰ偏光成分に不定で大きなパワー差があるので、モニタ装置本体２０のディスプレイ２０ｂに表示出力される分岐レーザ光ＬＢ(i)のパワー測定値にも不定で大きな誤差が現れる。
【００５９】
しかるに、レーザ加工ヘッド１４(i)内に偏光解消素子６０を設けた場合は、分岐レーザ光ＬＢ(i)の偏光が解消されてＳ偏光成分とＰ偏光成分のパワー差が実質的に無くなるので、ベントミラー４８の偏光特性はモニタリングに影響しなくなり、分岐レーザ光ＬＢ(i)とモニタ光ＭLBとの間のビームパワー比例関係に誤差は生じない。つまり、モニタ装置本体２０のディスプレイ２０ｂに表示出力されるレーザパワー測定値は、被加工物Ｗ(i)に照射される分岐レーザ光ＬＢ(i)の実際のレーザ出力を正確に表したものになる。
【００６０】
したがって、図１に示す同時４分岐ファイバ伝送方式のマルチポジション加工システムでは、レーザ加工ヘッド１４(1)，１４(2)，１４(3)，１４(4)より被加工物Ｗ(1)，Ｗ(2)，Ｗ(3)，Ｗ(4)にそれぞれ照射される分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)，ＬＢ(4)についてモニタ装置本体２０のディスプレイ２０ｂには同一または近似した値のレーザ出力測定値が表示出力されることになる。このように各分岐レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)，ＬＢ(3)，ＬＢ(4)について信頼性・再現性の高いレーザ出力測定値が表示出力されることで、マルチポジション加工システムにおけるレーザ加工の品質管理および生産性が大きく向上する。なお、モニタ装置本体２０は、各分岐ファイバ系に１台ずつ充てられてもよく、あるいは全ての分岐ファイバ系に１台で共用してもよい。
【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。たとえば、上記した実施形態は同時４分岐であったが、分岐数２あるいは４以上の同時多分岐ファイバ伝送方式にも本発明は適用可能である。さらには、ビームスプリッタを用いない無分岐ファイバ伝送方式のレーザ加工装置にも本発明のレーザ加工モニタリング装置を使用できる。また、本発明のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ溶接装置に限らず、レーザマーキング、穴あけ、切断等用の各種レーザ加工装置に使用できる。
【００６２】
また、レーザ加工ヘッド１４(i)内において、偏光解消素子６０をコリメートレンズ５８とベントミラー６２との間、あるいはベントミラー６２とベントミラー４８との間に配置してもよい。また、図示省略するが、レーザ加工ヘッドにおいて光ファイバの終端面をレーザ出射口または保護レンズと対向する位置に取り付け、光ファイバの終端面より出たレーザ光をベントミラーを介さずにまっすぐ直進させて保護レンズの外に出射させることも可能である。その場合は、途中に反射率の非常に低いミラーをモニタ光取得部として配置し、該ミラーで反射した光（モニタ光）をレーザ光測定部の受光部に導くようにすればよい。
【００６３】
上記した実施形態では、レーザ加工ヘッド１４(i)に取り付けるモニタ光受光部を光電変換素子６４で構成し、その光電変換素子６４より出力される電気信号ＳLを信号線７２を介してモニタ装置本体２０へ送るようにした。しかし、モニタ光受光部を光ファイバ（図示せず）の一端面で構成し、該光ファイバの他端より出たモニタ光ＭLBを光電変換素子（図示せず）で電気信号に変換する方式も可能である。その他、レーザ加工ヘッド１４(i)の各部を種種変形できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタリング装置の使用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す図である。
【図２】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す平面図である。
【図３】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIII−III線についての縦断面図である。
【図４】実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す図２のIV−IV線についての縦断面図である。
【図５】実施形態においてレーザ加工ヘッド内に偏光解消素子を設けない場合の分岐レーザ光の偏光状態を測定するために用いた実験装置の構成を示す図である。
【図６】同時４分岐ファイバ伝送方式において図５の実験装置で得られた測定結果を示す表である。
【図７】実施形態においてレーザ加工ヘッド内に偏光解消素子を設けた場合の分岐レーザ光の偏光状態を測定するために用いた実験装置の構成を示す図である。
【図８】同時４分岐ファイバ伝送方式において図６の実験装置で得られた測定結果を示す表である。
【符号の説明】
【００６５】
１２    レーザ発振部
１４(1)〜１４(4)，１４(i)    レーザ加工ヘッド    
１８(1)〜１８(4)，１８(i)    光ファイバ
２０    モニタ装置本体
４６    集束レンズ
４８    ベントミラー（モニタ光取得部）
５８    コリメートレンズ
６０    偏光解消素子
６４    レーザ光検出器
【図１】
0005209290.tif 000002
【図２】
0005209290.tif 000003
【図３】
0005209290.tif 000004
【図４】
0005209290.tif 000005
【図５】
0005209290.tif 000006
【図６】
0005209290.tif 000007
【図７】
0005209290.tif 000008
【図８】
0005209290.tif 000009